DE853298C

DE853298C - Feedback dynamic loudspeaker

Info

Publication number: DE853298C
Application number: DEP2900A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Philberth; Karl Philberth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1950-08-01
Filing date: 1950-08-01
Publication date: 1952-10-23

Description

Rückgekoppelter dynamischer Lautsprecher Nachdem es gelungen ist, Verstärker hochgradig mit hohen Dämpfungs- und Phasenspielräumen negativ rückzukoppeln, ergibt sieh das Bedürfnis, solche negative Rückkopplung auch über dynamische Lautsprecher auszudehnen, da der Lautsprecher wesentlich zu den Verzerrungen beiträgt.Feedback dynamic loudspeaker After successful Highly negative feedback of the amplifier with high attenuation and phase margins, there is a need to have such negative feedback even through dynamic loudspeakers as the speaker is a major contributor to the distortion.

Durch die Erfindung wird ermöglicht, unmittelbar die Schwingungen der Leistungsschwingspule L, und damit die abgestrahlte Schallenergie negativ rückzukoppeln über eine zweite Schwingspule, die Kopplungsschwingspule K,r, in der nach dem elektrodynamischen Prinzip durch die Bewegung im homogenen Magnetfeld eine der Geschwindigkeit angenähert proportionale Spannung induziert wird. Die Kopplungsschwingspule Ks kann hierbei -der Leistungsschwingspule L, auf- oder untergewickelt oder in die Windungen der @Leistungsschwingspule T_s hineingewickelt sein.The invention enables the vibrations directly the power voice coil L, and thus negatively feed back the radiated sound energy via a second voice coil, the coupling voice coil K, r, in the after the electrodynamic Principle by moving in a homogeneous magnetic field one of the speed is approximated proportional voltage is induced. The coupling voice coil Ks can here -the power voice coil L, wound on or under, or in the turns of the @Power voice coil T_s must be wound into it.

Die nach der Erfindung unterdrückten Verzerrungen eines Lautsprechers sind im wesentlichen nichtlineare Verzerrungen, die durch Oberschwingungen der gesamten Membran, z. B. durch teilweises Herausschwingen der Schwingspule aus dem Erregerfeld oder z. B. durch nichtlineare Direktionskräfte usw., bewirkt werden und ferner lineare Verzerrungen, die durch frequenzabhängigen Wirkungsgrad, z. B. Selbstinduktion der Leistungsschwingspule, Resonanzstellen usw., 'bewirkt wenden.The distortion of a loudspeaker suppressed according to the invention are essentially nonlinear distortions caused by harmonics throughout Membrane, e.g. B. by partially swinging the voice coil out of the excitation field or z. B. by non-linear directional forces, etc., and also linear ones Distortion caused by frequency-dependent efficiency, e.g. B. self-induction of Power voice coil, resonance points, etc., 'causes turn.

Die nicht oder nicht wesentlich unterdrückten nichtlinearen Verzerrungen, z. B. durch O'berschwingungen von Randteilen der Membran, und linearen Verzerrungen, z. B. raun- oder aufstellungsbedingte nichtlineare Schallenergieverteilung, können anderweitig ,hinreichend klein gehalten bzw. ausgeglichen werden.The non-linear distortions that are not or not significantly suppressed, z. B. Overshoots of edge parts of the membrane, and linear distortions, z. B. raun- or installation-related non-linear sound energy distribution can otherwise, be kept sufficiently small or balanced.

Es ist bereits bekannt, über eine zweite Schwingspule, die Kopplungsschwingspule negativ rückzukoppeln. Das durch die Erfindung gelöste technische Problem besteht darin, daB bei negativer Rückkopplung dynamischer Lautsprecher über Kopplungsschwingspule einerseits durch die transformatorische Spannungsübertragung von der Leistungsschwingspule auf die Kopplungsschwingspule die Entzerrung der Schwingungen der Leistungsschwingspule in Frage gestellt wird, andererseits durch die auftretenden elektrisch und mechanisch bedingten Phasenverschiebungen und Dämpfungsverläufe die Stabilität und damit die Brauchbarkeit der Rückkopplungsschleife gefährdet wird.It is already known about a second voice coil, the coupling voice coil negative feedback. The technical problem solved by the invention exists in that with negative feedback dynamic loudspeakers via a coupling voice coil on the one hand through the transformer voltage transmission from the power voice coil on the coupling voice coil the equalization of the vibrations of the power voice coil is called into question, on the other hand by the electrical and mechanical occurring Due to the phase shifts and attenuation curves, the stability and thus the The usefulness of the feedback loop is jeopardized.

Die elektrisch bedingten Phasenverschiebungen und Dämpfungsverläufe werden in erster Linie verursacht durch die Induktivibät der Windungen der I_eistungsschwingspule mit dem, umgebenden Magnetmaterial des Kerns und der Plplatte. Hierdurch erhält der Leistungsstrom und damit die Schubkraft der Leistungsschwingspule gegenüber der angelegten Spannung in den hohen Frequenzen eine Schwächung und Phasenverschiebung. Die genannte Induktivität ist nicht frequenzkonstant, sondern fällt mit wachsenden Frequenzen ab und wird komplex (Phasenverschiebungen!), :da der magnetische Wechselfluß im umgebenden Magnetmaterial durch die auftretenden Wirbelströme mit ansteigenden Frequenzen eine Schwächung und Verschiebung erleidet. ' Die mechanisch bedingten Phasenverschiebungen und, Dämpfungsverläufe werden dadurch hervorgerufen, daß oberhalb und unterhalb der Resonanzfrequenzen des Lautsprechers, also in sehr hohen und sehr tiefen Frequenzen, die Geschwindigkeit des bewegten Systems und damit auch die in der Kopplungsschwingspule induzierte Spannung eine zeitliche Verschiebung gegenüber der antreibenden Kraft, also gegenüber dem Leistungsstrom, erf ährt.The electrically caused phase shifts and attenuation curves are primarily caused by the inductivity of the windings of the power voice coil with the surrounding magnetic material of the core and the plate. This gets the power current and thus the thrust of the power voice coil The applied voltage in the high frequencies causes a weakening and phase shift. The inductance mentioned is not constant in frequency, but falls as it increases Frequencies from and becomes complex (phase shifts!),: Because the magnetic alternating flux in the surrounding magnetic material due to the eddy currents occurring with increasing Frequencies are weakened and shifted. 'The mechanical ones Phase shifts and attenuation curves are caused by the fact that above and below the resonance frequencies of the loudspeaker, i.e. in very high and very high low frequencies, the speed of the moving system and thus also the in the coupling voice coil induced a time shift compared to the voltage the driving force, i.e. compared to the power current, experiences.

Nach dem Stande der Technik wird das genannte Problem zum Teil dadurch gelöst; daß in den Luftspalt koaxial zu der Leistungsschwingspule, von der Leistungsschwingspule umschlossen und/oder dieselbe umschließend, entweder eine feststehende Spule von angenähert gleicher Windungszahl wie die Leistungsschwingspule eingebracht ist und dieselbe vom Leistungsstrom gegensinnig zur Leistungsschwingspule durchflossen wird oder ein feststehender, in sich geschlossener, hohlzylinderförmiger Stromleiter aus Kupfer od. dgl. eingebracht ist. In beiden Fällen tritt eine weitgehende Unterdrückung der Induktivität und damit eine Herabsetzung der Dämpfung und Phasenverschiebung des Leistungsstroms gegenüber der angelegten Spannung auf, und zwar im ersten Falle .durch gegenseitige Kompensation der Induktivitäten beider Spulen, im zweiten Falle durch die im in sich geschlossenen Leiter induzierten Wirbelströme (man vergleiche einen sekundärseitig kurzgeschlossenen Transformator).In the prior art, this problem is solved in part solved; that in the air gap coaxial with the power voice coil, from the power voice coil enclosed and / or enclosing the same, either a fixed coil of approximately the same number of turns as the power voice coil is introduced and the same is traversed by the power current in the opposite direction to the power voice coil or a fixed, self-contained, hollow cylindrical conductor Made of copper or the like. Is introduced. In both cases there is extensive suppression the inductance and thus a reduction in the attenuation and phase shift of the power current versus the applied voltage, in the first case .by mutual compensation of the inductances of both coils, in the second case due to the eddy currents induced in the self-contained conductor (compare a transformer short-circuited on the secondary side).

Diese bekannten Schaltungen, insbesondere die letztere, sind auch für die negativ rückgekoppelten Lautsprecher der Erfindung sehr zweckmäßig.These known circuits, particularly the latter, are also very useful for the negative feedback loudspeakers of the invention.

Die beiden genannten Schaltungen erfüllen jedoch ohne die erfindungsgemäße Schaltung in den meisten Fällen die gestellten Anforderungen in bezug auf Entzerrung einerseits und in bezug auf Stabilität andererseits nicht.However, the two circuits mentioned meet without the inventive Circuit in most cases the requirements made in terms of equalization on the one hand, and on the other hand not with regard to stability.

So haben beide erwähnten Schaltungengemeirvsam den Mangel, daß .durch sie die erwähnten mechanisch bedingten, für die Stabilität gefährlichen Dämpfungen und Phasenverschiebungen des bewegten Systems weder vermindert noch in ihrer Auswirkung auf den Rückkopplungsweg unschädlich gemacht werden.So both circuits mentioned have mutually the deficiency that .by they the mentioned mechanically caused damping dangerous for the stability and phase shifts in the moving system are neither reduced nor their effects can be rendered harmless on the feedback path.

Die Einschaltung der genannten zusätzlichen, vom Leistungsstrom gegensinnig durchflossenen Spule hat neben anderen, hauptsächlich praktisch bedingten Nachteilen noch eine Erhöhung des Gesamtwiderstandes für den Leistungsstrom zur Folge.The activation of the mentioned additional, opposite of the power current The coil through which it flows has, among other, mainly practical disadvantages result in an increase in the total resistance for the power current.

Die Einschaltung des genannten, in sich geschlossenen, @hohlzylinderförmigen Stromleiters hat hauptsächlich den Mangel, daß wegen des begrenzten Volumens dieses Leiters die oben angeführte transformatorische Spannungsübertragung von der Leistungsschwingspule auf die Kopplungsschwingspule nicht so stark unterdrückt wird, als es aus Gründen der Entzerrung der Schwingungen der Leistungsschwingspule erforderlich ist.The inclusion of the mentioned, self-contained, @ hollow cylinder-shaped Electric conductor has the main drawback that because of the limited volume of this Conductor the above-mentioned transformer voltage transmission from the power voice coil on the coupling voice coil is not suppressed as much as it is for reasons the equalization of the oscillations of the power voice coil is required.

Die Wirkung der Kopplungskompensationsspule Kk beruht darauf, daß die transformatorisch von der Leistungsschwingspule L, auf die Kopplungsschwingspule Ks übertragene Spannung sich mit der in der Kopplungskompensationsspule Kk gleicherweise, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen induzierter Spannung ganz oder zum größten Teil weghebt.The effect of the coupling compensation coil Kk is based on the fact that the transformer from the power voice coil L to the coupling voice coil Ks transmitted voltage is similar to that in the coupling compensation coil Kk, but with opposite sign induced voltage wholly or to the greatest extent Part lifts away.

Nach der Erfindung werden die mechanisch und elektrisch bedingten Dämpfungen und Phasenverschiebungen der Rückkopplungsspannung der Kopplungsschwingspule K, gegenüber der Leistungsspannumg etwa .des Ausgangstransformators dadurch in den sehr hohen und sehr tiefen Frequenzen in ihrer stabilitätsgefährdenden Wirkung unschädlich gemacht, daß die zur negativen Rückkopplung dienende Spannung über ein besonderes Netzwerk abgenommen wird. Dieses Netzwerk ist ein Sechspol; in vielen Fällen ist dieser Sechspol zum Dreipol ; entartet und stellt eine Spannungsteilerschaltung dar. In dieser Spannungsteilerschaltun.g liegt der erste Pol an der Kopplungsschwingspule K, bzw. Kopplungskompensationsspule Kk (vgl. unten) des Lautsprechers, der zweite Pol an einer geeigneten, die wiederzugebende Spannung führenden Stelle des vorangehenden Verstärkers, z. B. an einem O mschen Kathodenwiderstand der Endröhre oder an einer Abzapfung der Primär- oder Sekundärwicklung des Ausgangstransformators; der dritte Pol stellt die Abzapfung der zur negativen Rückkopplung dienenden Spannung dar.According to the invention, the mechanically and electrically conditioned Attenuations and phase shifts of the feedback voltage of the coupling voice coil K, compared to the power voltage of the output transformer very high and very low frequencies are harmless in their stability-threatening effect made that the voltage used for negative feedback over a special Network is removed. This network is a six-pole; in many cases it is this six-pole to the three-pole; degenerates and provides a voltage divider circuit In this voltage divider circuit, the first pole is on the coupling voice coil K, or coupling compensation coil Kk (see below) of the loudspeaker, the second Pole at a suitable point of the preceding one that carries the voltage to be reproduced Amplifier, e.g. B. at an O mschen cathode resistance of the end tube or at one Tapping of the primary or secondary winding of the output transformer; the third Pol represents the tapping of the voltage used for negative feedback.

Der erfindungsgemäße Dreipol (Spannungsteilerschaltung) ist so eingerichtet, daß die Spannungsübertragung vom ersten Pol zum dritten Pol im Verhältnis zur Spannungsübertragung vom zweiten Pol zum dritten Pol vom Übertragungsbereich dies Lautsprechers her mit ansteigenden und abfallenden Frequenzen abfällt. Der Verlauf der Spannungsübertragung vom ersten Pol zum dritten Pol ist im Zusammenwirken mit dem Verlauf der Spannungsübertragun. g vom zweiten Pol zum dritten Pol so eingerichtet, daß einerseits im Übertragungsbereich des Lautsprechers die Spannungsübertragung vom ersten Pol zum dritten Pol so stark ist, daß die Schwingungen der Kopplungsschwingspule genügend negativ rückgekoppelt werden, daß aber andererseits in den Frequenzen oberhalb und unterhalb des Übertragungsbereiches des Lautsprechers die in der Kopplungsschwingspule induzierten Spannungen so stark durch die am zweiten Pol anliegenden Spannungen verdrängt werden, daß die Stabilität der Rückkopplungsschleifedurch die Dämpfungen und Phasenverschiebungen des Lautsprechers nicht gefährdet wird.The three-pole (voltage divider circuit) according to the invention is set up so that the voltage transfer from the first pole to the third pole in relation to the voltage transfer from the second pole to the third pole from the transmission range of this loudspeaker increasing and decreasing frequencies. The course of the voltage transfer from the first pole to the third pole is in interaction with the course of the voltage transmission. G from the second pole to the third pole set up so that on the one hand in the transmission range of the loudspeaker the voltage transmission from the first pole to the third pole is so strong is that the oscillations of the coupling voice coil are fed back sufficiently negative but that on the other hand in the frequencies above and below the transmission range of the loudspeaker the voltages induced in the coupling voice coil are so strong are displaced by the voltages applied to the second pole that the stability the feedback loop through the attenuations and phase shifts of the loudspeaker is not endangered.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Dreipols (Spannungsteilerschaltung) beruht also im wesentlichen darauf, daß in sehr hohen und tiefen Frequenzen eine Verdrängung der stark phasenschiebenden Übertragung über den Lautsprecher (erster Pol) durch die unmittelbare Übertragung über den zweiten Pol verdrängt wird, so daß in sehr hohen und tiefen Frequenzen die ohnehin nicht mehr benötigte negative Rückkopplung des dynamischen Lautsprechers aufgehoben und die elektrisch und mechanisch bedingten Dämpfungen und Phasenverschiebungen des Lautsprechers unwirksam werden, während in den mittleren Frequenzen die negative Rückkopplung über den Lautsprecher durch passende Wahl des Dreipols (Spannungsteilerschaltung) passend in Dämpfung und Phase und Rückkopplungsgrad zugelassen und begrenzt wird.The mode of operation of the three-pole invention (voltage divider circuit) is essentially based on the fact that in very high and low frequencies one Displacement of the strongly phase-shifting transmission via the loudspeaker (first Pole) is displaced by the direct transmission via the second pole, so that in very high and low frequencies the negative ones, which are no longer needed anyway The feedback of the dynamic loudspeaker is canceled and the electrical and mechanical caused attenuation and phase shifts of the loudspeaker become ineffective, while in the middle frequencies the negative feedback through the loudspeaker by suitable choice of the three-pole (voltage divider circuit) suitable in attenuation and allow and limit phase and degree of feedback.

Ganz homolog dem Dreipol (Spannungsteilerschaltung), bei dem ,die drei zum ersten, zweiten und dritten Pol gehörigen Gegenpole gemeinsam an .'lasse liegen, kann auch ein allgemeiner Sechspol verwendet werden. In fast allen Fällen igenügt jedoch die angegebene Spannun@gsteilerschaltung (Dreipol, entarteter Sechspol).Completely homologous to the three-pole (voltage divider circuit) in which, the three opposing poles belonging to the first, second and third pole together a general six-pole can also be used. In almost all cases However, the specified voltage divider circuit (three-pole, degenerate six-pole) is sufficient.

Der genannte Dreipol (Spannungsteilerschaltung) kann etwa dadurch realisiert werden, daß zwischen dem zweiten und dem dritten Pol ein Zweipol liegt, dessen Dämpfung von den mittleren Übertragungsfrequenzen des Lautsprechers her oder mit ansteigenden und abfallenden Frequenzen, z. B. gedämpfte Parallelresonanz C, L, R, abfällt und daß zwischen dem ersten Pol und dem dritten Pol ein Ohmscher Widerstand r liegt, der jedoch wegen des Ohmschen Widerstandes der Kopplungsschwingspule bzw. Kopplungskompensationsspule auch entfallen kann.Said three-pole (voltage divider circuit) can for instance thereby be realized that there is a two-pole between the second and the third pole, its attenuation from the mean transmission frequencies of the loudspeaker or with increasing and decreasing frequencies, e.g. B. damped parallel resonance C, L, R, drops and that between the first pole and the third pole an ohmic resistance r, which is due to the ohmic resistance of the coupling voice coil or Coupling compensation coil can also be omitted.

Abb. a zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel: Die Kopplungskompen.sationsspule Kk (vgl. unten) ist der Einfachheit halber fortgelassen; die Abzweigung links unten stellt den Weg der zur negativen Rückkopplung dienenden Spannung dar. Die untere und obere Grenzfrequenz .der gedämpften Parallelresonanz C, L, R wird den Stabilitätserfordernissen der Verstärkerschleife angepaßt, nach Möglichkeit jedoch so gewählt, daß .die negative Lautsprecherrückkopplung für den oberen und unteren Rand des Übertragungsbereiches des Lautsprechers,noch nicht verschwindet. Durch die Größe des Widerstandes R (eventuell durch Regelbarkeit) läßt sich eine beliebige Begrenzung der Lautsprecherbedingten Dämpfungen und Phasenverschiebungen erzielen, jedoch unter gleichzeitiger Begrenzung der negativen Rückkopplung über den dynamischen Lautsprecher.Fig. A shows a simple embodiment: the coupling compensation coil Kk (see below) has been omitted for the sake of simplicity; the junction at the bottom left represents the path of the voltage used for negative feedback. The lower one and upper limit frequency of the damped parallel resonance C, L, R is the stability requirements adapted to the amplifier loop, but if possible chosen so that .the negative Loudspeaker feedback for the upper and lower edge of the transmission range of the speaker, not yet disappears. Due to the size of the resistor R (possibly through controllability) any limitation of the loudspeaker-related conditions can be achieved Achieve attenuations and phase shifts, but with simultaneous limitation the negative feedback through the dynamic loudspeaker.

Ferner wird nach der Erfindung die transformatorisahe Übertragung von der Leistungsschwingspule L,, auf die Kopplungsschwingspule K, dadurch in ihrer Auswirkung ganz oder angenähert unterdrückt, daß im Spalt zwischen Polplatte und Kern, koaxial zur Kopplungsschwingspule K3, die Kopplungsschwingspule K$ umschließend und/oder (was aus praktischen Gründen zweckmäßiger ist) von der Kopplungsschwingspule K3 umschlossen, eine weitere Spule, die Kopplungskompensationsspule Kk von genau oder angenähert gleicher Windungszähl wie die Kopplungsschwingspule K3, feststehend eingebracht und mit der Kopplungsschwi,ngspule gegensinnig in Serie geschaltet ist. Die Kopplungskompensationsspule Kk kann, gleichwie die Kopplungsschwingspule K3, wegen der sehr geringen aufzunehmenden Leistung aus sehr dünnem Draht sein (man vergleiche Abb. i ; L ist hierin der bereits erwähnte hohlzylinderförmige Stromleiter).Furthermore, according to the invention, the transformer-like transmission from the power voice coil L ,, to the coupling voice coil K, thereby in their Effect completely or approximately suppressed that in the gap between the pole plate and Core, coaxial with the coupling voice coil K3, enclosing the coupling voice coil K $ and / or (which is more convenient for practical reasons) from the coupling voice coil K3 enclosed another coil, the coupling compensation coil Kk of exactly or approximately the same number of turns as the coupling voice coil K3, fixed is introduced and connected in series in opposite directions with the coupling oscillation coil. The coupling compensation coil Kk can, like the coupling voice coil K3, be made of very thin wire because of the very low power consumption (man compare Fig. i; L is the already mentioned hollow cylindrical current conductor).

Die Erfindung findet außer auf dynamische Lautsprecher auch in analoger Weise auf dynamische Mikrophone und beliebige andere elektromechanische und mechanischelektrische Schwingungswandler des dynamischen Prinzips Anwendung. Bei mechanischelektrischen dynamischen Schwingungswandlern, z. B. Mikrophon, liefert die Kopplungsschwingspule K,, die zu verstärkende Spannung, die Leistungsschwingspule L,, koppelt die mechanischen Schwingungen gegen, die Kopplungskompensationsspule KA- verhindert die Auswirkung der transformatorischen Übertragung von der Leistungsschwingspule L,, auf die Kopplungsschwingspule K,,.In addition to dynamic loudspeakers, the invention also applies to analog Way to dynamic microphones and any other electromechanical and mechanical-electrical Vibration converter of the dynamic principle application. With mechanical-electrical dynamic vibration transducers, e.g. B. microphone, provides the coupling voice coil K ,, the voltage to be amplified, the power voice coil L ,, couples the mechanical Vibrations against, the coupling compensation coil KA- prevents the effect the transformer transmission from the power voice coil L ,, to the coupling voice coil K ,,.

Claims

PATEN TANSPR Il CIIC i. Feedback circuit of electromechanical or mechanical-electrical dynamic vibration transducers, which are negatively fed back via the coupling voice coil, characterized in that the feedback voltage is taken from a frequency-dependent voltage divider circuit which is connected between the coupling voice coil (K ") and a point of the amplifier carrying a suitable potential, in particular a tap of the output transformer and is constructed in such a way that the negative feedback via the coupling voice coil (K ") is suppressed in favor of an immediate negative feedback in very high and very low frequencies. z. Circuit according to claim i, characterized in that fixed in the gap, coaxially to the coupling voice coil (K3), in particular enclosed by the coupling voice coil (K), connected in series with the coupling voice coil (Ks) in opposite directions, a further coil with the same number of turns as the coupling voice coil (K $), the coupling compensation coil (Kk), is arranged. 3. A circuit according to claim r or 2, characterized in that the voltage divider circuit between the coupling voice coil (K,) or the coupling compensation coil (Kk) and the pole at which .die feedback voltage is removed, an ohmic resistance between which the appropriate potential leading point of the amplifier and the pole at which the feedback voltage is taken off, contains a two-pole decreasing attenuation from the transmission range of the loudspeaker with rising and falling frequencies. 4. A circuit according to claim 3, characterized in that the two-pole decreasing attenuation with rising and falling frequencies is a damped parallel resonance (L, C, R). Cited publications: German Patent No. 540 445; Swiss patent letter No. 245 420.